船舶與系泊平臺模型碰撞試驗研究

于 霄 朱 凌＊ 李春寶 郭開嶺

(武漢理工大學高性能船艦技術教育部重點試驗室1) 武漢 430063)(武漢理工大學船海與能源動力工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

為了獲取更多的海洋資源，我國沿海地區已經涌現出越來越多功能各異的浮式海洋平臺．然而，在復雜的海洋環境下，過往的船只、守衛船、補給船等各種船舶與浮式平臺經常發生碰撞事故，會導致環境污染、經濟損失、人員傷亡等一些災難性后果．

針對船舶與海洋平臺碰撞的研究方法主要有數值分析法、有限元仿真法及試驗方法．Pedersen等[1]運用數值分析方法研究船舶與海洋平臺碰撞過程，分析了水動壓力及平臺自身柔度對碰撞過程的影響．Pedersen等[2]提出了一種新的數值方法，能夠較好地確定碰撞過程中的碰撞力及平臺運動響應．Zhang等[3]基于剛體碰撞力學的一般理論，分析了船舶與海洋平臺碰撞過程中的能量耗散問題，并建立了簡化估算公式．在此基礎上，Zhang等[4-5]對此方法進行了改進，通過與試驗結果的對比驗證了其準確性．Zhu等[6-7]基于變分有限差分法，建立了船舶碰撞動態彈塑性響應的數值模型，研究了碰撞中船體矩形板受碰撞載荷下的動力響應問題．李潤培等[8]建立了船舶與海洋平臺圓管結構碰撞的彈塑性分析方法，利用塑性節點法結合大位移理論計算了碰撞過程中結構的大變形、塑性以及應變硬化等問題．近年來，導管架海洋平臺受船撞擊的彈塑性大變形及損傷問題受到了更廣泛的關注．Jin等[9]提出了一種適用于導管架海洋平臺結構的沖擊碰撞評估方法，能夠得到碰撞后平臺結構的整體損傷效應．Zhu等[10-12]運用試驗的方法，分析了沖擊載荷下海洋管道的變形模式，并開展了軸壓作用下鋼管支撐構件破壞極限強度的數值研究．劉昆等[13]對海洋平臺樁腿直管的變形機理開展了相關研究，運用塑性力學理論求解出了管結構的碰撞力與撞深的解析表達式．

隨著計算機技術的迅速發展，將非線性有限元方法運用到了對船舶與海洋平臺碰撞的研究中．唐友剛等[14]基于有限元仿真方法對系泊郵輪與海上平臺的碰撞過程進行了分析，得到了系泊船舶與平臺的碰撞力以及二者的運動響應．Storheim等[15]運用LS-DYNA研究了船頭和船尾對浮動平臺柱以及導管架腿和支架的沖擊過程，評估了船舶碰撞對海上平臺造成的變形損傷．

文中在試驗水池中開展了船舶與系泊平臺模型碰撞試驗，對船舶與系泊平臺的碰撞過程進行分析，為后續的理論與數值研究提供有參考價值的試驗數據．

1 水池碰撞模型試驗方案設計

1.1 試驗模型設計

1.1.1系泊平臺模型設計

在武漢理工大學碰撞與流固耦合試驗室現有船舶碰撞試驗系統的基礎上[16]，參考典型系泊浮式平臺結構尺寸，采用縮比模型設計方法對系泊平臺模型進行設計．系泊平臺長2 m、寬0.5 m、高度0.3 m．為了保證碰撞區域的尺寸，高度方向采用畸變設計，其正視圖為“凸”形，在平臺兩側布置四個對稱的鉤環，用來連接系泊線．為了模擬系泊平臺被撞后的變形損傷，將平臺一側進行切割，用來安裝被撞板，見圖1．被撞板為長0.96 m、寬0.32 m、厚2 mm的鋁合金矩形板，通過夾具將其四周固定在系泊平臺上．設計的系泊平臺總質量為155 kg，重心高度為229 mm．

圖1 系泊平臺模型圖

1.1.2撞擊船模型設計

撞擊船為木質船模，船長3.4 m、船寬0.53 m、型深0.32 m，總質量105 kg．為了安裝剛性沖頭及力傳感器，將船首部垂直切割一部分并安裝剛性基座，基座、力傳感器與剛性沖頭用螺栓連接固定，見圖2．為了更好的模擬真實碰撞情況，將剛性沖頭前端部設計為橢球體(沖頭母線為橢圓，長軸160 mm、短軸80 mm)，后端部為平行中體(長30 mm)．

圖2 撞擊模型圖及剛性沖頭示意圖

1.2 試驗方案設計

1.2.1撞擊船拖曳方案

試驗前，通過移動壓鐵將撞擊船調整到正浮狀態．基于試驗水池的條件，通過電動機提供動力，并用一根高強度細線將撞擊船與電機相連接，通過調整電機與撞擊船的距離，實現撞擊船的速度變化研究目的．為了保證撞擊船在碰撞發生前能夠完全自由的以一定初速度與系泊平臺發生正撞，需要在牽引繩適當位置安裝一塊限制木塊．在碰撞即將發生時，由于木塊和定滑輪的相互作用，牽引繩發生斷裂，撞擊船將實現自由運動，試驗總體示意圖見圖3．同時，在試驗區域布置四個高速運動捕捉相機，能夠實時捕捉試驗中撞擊船及系泊平臺的三維運動姿態．

圖3 試驗布置示意圖

1.2.2平臺系泊方案

平臺的系泊方式一般有懸鏈式與張緊式兩種，考慮到試驗水池寬度方向上的限制，使用張緊式系泊對平臺進行定位．為了對平臺進行系泊，在試驗水池池底布置四個呈矩形分布的系泊點，系泊點的橫向距離1 700 mm、縱向距離3 400 mm．試驗前，在保證系泊平臺保持正浮狀態的基礎上，通過四根高強度尼龍繩將系泊平臺與試驗水池池底的系泊點進行相連．同時，在四根系泊線上布置小型拉力傳感器，用來測試在碰撞過程中系泊纜繩張力的變化，系泊總體布置方案見圖4．

圖4 平臺系泊布置方案

2 試驗工況及結果分析

2.1 試驗工況

為了分析不同碰撞速度和系泊線預張力條件下的碰撞響應規律，結合試驗水池牽引電機的拖曳能力及牽引繩的強度，基于四組典型的試驗工況開展了模型水池碰撞試驗，具體見表1．其中，試驗4的系泊線較長，在碰撞初始階段，對平臺完全沒有定位作用．

表1 四組試驗工況

四組試驗的預撞擊位置為被撞板的中心點．由于試驗過程中，撞擊船在前進過程中會發生不可控的偏移，導致四組試驗的撞擊位置不同．圖5為李良偉等[17]在水池中開展的船-船模型碰撞試驗的撞擊點位置．與其相比，本文開展的四組試驗的撞擊位置均更靠近被撞板中心點，因此認為四組試驗撞擊位置的偏差在可接受的范圍內．

圖5 四組試驗撞擊位置示意圖

2.2 試驗結果及分析

2.2.1碰撞力試驗結果

圖6為典型工況的碰撞力時間歷程曲線，圖7為碰撞的整體過程．由圖6～7可知：整個碰撞過程分為三個階段，即碰撞前、第一次碰撞、第二次碰撞．在碰撞前，撞擊船在牽引系統的作用下向前行駛．當與系泊平臺發生第一次碰撞后，在系泊系統的作用下，系泊平臺會發生小距離的橫蕩及橫搖運動．在平臺回復運動的過程中，可能會與撞擊船發生二次碰撞．在試驗4中，系泊線在初始階段完全松弛．在碰撞發生后，平臺會發生較大的橫蕩運動，與撞擊船無法發生二次碰撞．表2為四組試驗中的最大碰撞力以及碰撞持續時間，圖8比較了四組工況的最大碰撞力．總體分析可知:碰撞速度對碰撞力的影響十分明顯，試驗3的最大碰撞力比試驗1增大了23%．對比試驗工況1-3中碰撞力可以發現，當系泊線預張力相同時，最大碰撞力與碰撞速度近似呈線性增加關系，且碰撞持續時間逐漸減小．對比試驗3～4可知，隨著系泊線預張力的增大，最大碰撞力也會增大，但碰撞持續時間減小．

圖8 四組工況最大碰撞力比較

2.2.2系泊線張力試驗結果

圖9為典型工況下的各個系泊線張力變化時間曲線．根據系泊線的對稱性，將Cable1與Ca-ble2稱為前端系泊線，將Cable3與Cable4稱為后端系泊線．表3為四組試驗中各個系泊線最大張力值及前后端系泊線最大張力的平均值．由圖9可知:在系泊平臺受到船舶的碰撞載荷后, Cable1與Cable2在定位系泊平臺方面起到主要的作用，并且兩根系泊線上的張力在碰撞的整體過程中的大小幾乎保持一致．對比Cable1與Cable2, Cable3與Cable4系泊線張力明顯較小．這主要是因為，在平臺受到碰撞后向前方移動的過程中，平臺所具有的大部分動能將會被消耗，在回復運動的過程中，其大部分動能已被水阻力及前端系泊系統耗散，導致Cable3和Cable4系泊線張力較小．

圖9 典型工況下系泊線張力變化曲線

表3 四組試驗各個系泊線最大張力 單位：N

圖10為試驗1～3各個系泊線最大張力值及前端和后端系泊線最大張力的平均值．由圖10可知:在系泊線預張力相同時，隨著碰撞速度的增加，前后端系泊線最大張力平均值均近似呈現線性增加的趨勢；對比試驗3～4可知：在預張力不同時，隨著預張力的增加，在碰撞過程中系泊線的最大張力也會增加．這主要是因為，隨著系泊線預張力的增加，系泊線對平臺的定位作用增強，導致系泊線張力的增大．在試驗4中，系泊線在初始階段呈現松弛狀態．在碰撞發生后，平臺在自由的運動一段距離后，系泊線才會起到定位作用．由于平臺大部分的能量都被水阻力耗散，導致試驗4中的系泊線張力明顯小于試驗3．

圖10 不同碰撞速度下的系泊線最大張力及平均值

2.2.3平臺運動響應試驗結果

圖11為平臺在碰撞過程中運動響應隨時間的變化曲線．由于四組試驗的碰撞點都在平臺重心的上方，在碰撞發生后，平臺將會發生劇烈的橫搖運動，其振動幅值隨著碰撞速度的增加而增大．在試驗3～4中平臺的最大橫搖角達到了近30°，最后在系泊線以及水阻力的作用下迅速減小．這主要是因為，試驗3的碰撞速度較大，且撞擊位置距離平臺重心較遠．雖然試驗4的撞擊位置距離平臺重心較近，但是在碰撞初始階段，系泊線對平臺沒有定位作用，導致平臺的橫搖角也很大．由圖11可知:系泊平臺的縱搖與首搖都相對較小，基本都處于2°以內．但是，試驗4中系泊平臺首搖角最大達到了5°．主要是因為試驗4中系泊平臺的被撞位置偏離了中心線，且系泊線預張力為零，導致其首搖較大．

圖11 典型工況下平臺運動響應曲線

2.2.4平臺外板變形損傷試驗結果

圖12為四種典型試驗工況下平臺外板的局部變形損傷情況．通過測量得到了四組試驗下平臺外板的最大塑性變形分別為6.75，7.44，8.28和7.99 mm．對比試驗1～3可知，試驗3中的最大塑性變形比試驗1增大了22%，顯示了碰撞速度對平臺外板的最大塑性變形有較大的影響．在試驗3～4中，雖然兩組試驗的碰撞速度相同，但試驗4在碰撞發生時不受系泊線的定位作用，與試驗3相比有更多的能量轉化為系泊平臺的動能，導致平臺外板塑性變形較小．圖13以被撞板底邊為坐標零點，給出了四組試驗中鋁合金板被撞點所在的橫剖面圖．由圖可知，平臺外板橫剖面的整體變形模式呈“凸”字形．其塑性變形主要集中在被撞區域附近，在邊界處的塑性變形較小．這說明在船舶與平臺碰撞的過程中，由平臺外板塑性變形所吸收的能量相對較小．

圖12 平臺外板局部變形損傷

圖13 鋁合金板被撞點橫剖面變形圖

3 結 論

1) 在船舶與系泊平臺發生碰撞時，隨著碰撞速度的增加，最大碰撞力及前后端系泊線的最大張力平均值均近似呈線性增加，碰撞持續時間減小．

2) 系泊線預張力的變化對最大碰撞力及碰撞持續時間也有一定的影響．隨著系泊線預張力的增大，最大碰撞力增大，碰撞持續時間減小．同時，系泊線的預張力的增大會使碰撞過程中系泊線的最大張力增大．

3) 在船舶的碰撞載荷下，系泊平臺主要會產生明顯的橫搖運動，在縱搖和首搖方向的運動較小．相應的運動幅值隨撞擊點相對重心的位置而改變．

4) 在碰撞過程中，平臺外板的變形損傷較小，撞擊船的動能大部分都轉化為系泊平臺的動能，最后在水阻力的作用下逐漸耗散．